СОЕДИНЕНИЕ МЕТАЛЛОВ В ТВЕРДОЙ ФАЗЕ

ВЛИЯНИЕ ПОДГОТОВКИ ПОВЕРХНОСТИ

Для исследования влияния подготовки поверхности на образова­ние физического контакта при соединении металлов в твердом состоянии использовалась методика, основанная на измерении в динамическом режиме электросопротивления зоны стыка в усло­виях, имитирующих процесс образования соединения [131].

Электропроводность зоны стыка может быть выражена в пер­вом приближении как

где FK — как и раньше площадь контакта;

р — удельная электропроводность металла при исследуе­мой температуре;

/ — расстояние между потенциальными выводами.

К изменению электросопротивления зоны стыка Rc могут приводить следующие процессы.

1. Изменение площади контакта. Изменение электропровод­ности зоны стыка при определенных условиях будет зависеть в ос­новном от изменения площади контакта.

2. Деформационное упрочнение поверхностных слоев в про­цессе смятия микровыступов при температурах ниже температуры рекристаллизации. Известно, что электрическое сопротивление возрастает при введении примесей и дефектов в решетку чистых металлов, так как любые искажения идеальной кристаллической решетки приводят к рассеянию электронов проводимости. Согласно работе [991, для одновалентных металлов прирост электросопро­тивления (в мкОм-см) в этом случае можно оценить

AR КГ3 у р, (141)

где b — модуль вектора Бюргерса; d — ширина дефекта упаковки; р — плотность дислокаций.

Деформационное упрочнение распространяется на неболь­шую глубину, поэтому можно ожидать, что его вклад в общее из­менение электросопротивления будет незначительным.

3. Изменение состава приповерхностного слоя при диффузии элементов с поверхности и из глубинных слоев образца. С повы­шением температуры вклад этого процесса в изменение электро­сопротивления возрастает и наиболее существенным становится в температурной области выше температуры рекристаллизации. В случае присутствия одной примеси электросопротивление в пер­вом приближении пропорционально концентрации этой примеси. При наличии нескольких примесей изменение электросопротивле­ния можно выразить следующей формулой:

Д R=ilRini, (142)

і

где Rt — доля изменения электросопротивления, вносимая ато­мами примесей;

П[ — атомная доля этой примеси.

Влияние каждой примеси различно и зависит от ряда факторов:

а) атомного диаметра примеси (чем больше разность атомных Диаметров основного металла и примеси, тем выше значение /?,-); б) атомной массы примеси (примеси, находящиеся в одной группе периодической системы с основным металлом, меньше изменяют электросопротивление, тогда как другие влияют тем
больше, чем более отличаются их валентности от валентности ос­новного металла); в) конфигурации электронной оболочки ато­мов примеси (элементы с незаполненными d-уровнями влияют на электросопротивление в большей степени, чем те, у которых d-уровни заполнены или отсутствуют).

Таким образом, методика, основанная на измерении электро­сопротивления зоны стыка, позволяет не только изучать кинетику развития физического контакта, но и оценивать вклад сопутствую­щих этому явлению процессов.

Установка для проведения измерений электросопротивления зоны стыка в условиях сварки, общий вид которой показан на рис. 43, состоит из вакуумной системы, систем давления, нагрева и измерения электросопротивления в динамическом режиме (рис. 44).

Вакуумная система состоит из двух непоследовательно вклю­ченных насосов производительностью 500 и 100 л/с. Для устране­ния отрицательного влияния продуктов пиролиза масла на из­меряемое электросопротивление образцов вакуумная система снаб­жена термоэлектрической ловушкой, что позволяет получить практически безмасляный вакуум. Система давления рычажного типа с коэффициентом усиления 10 позволила получить весь диа­пазон давлений (Ру 0,1 - к 10 кгс/мм2), представляющих практи­ческий интерес. Такая система позволяет обеспечить высокую стабильность давления во времени.

Нагрев образцов производился слаботочной эффективной си­стемой нагрева радиационного типа. Температура контролиро­валась ХА-термопарой, приваренной вблизи исследуемого стыка. Особенностью этой системы нагрева, позволившей произвести из­мерение электросопротивления в динамическом режиме с высокой точностью, является отсутствие воздействия на исследуемый объект тока, напряжения и магнитного поля.

Измерение электросопротивления производилось по схеме двойного моста (рис. 45). Измерительный ток, пропускаемый через образцы, составлял обычно несколько ампер. Сигнал раз­баланса моста измерялся микровольтмикроамперметром Ф 116 и записывался электронным потенциометром ЭПП-09 со временем пробега кареткой прибора всей шкалы 1 с. Эта схема позволяла измерять и записывать изменение электросопротивления с точ­ностью до 10~9 Ом. Относительная величина изменения электро­сопротивления устанавливалась тарированием.

Исследование процесса развития физического контакта на a-Fe проводили при Рр = 0,5 кгс/мм2 в интервале температур 20—350° С и при температурах 500 и 600 С. При температурах ниже температуры рекристаллизации развитие физического кон­такта за счет деформации микронеровностей на поверхности со­единяемых образцов может сопровождаться наклепом всего при­поверхностного слоя. На основании проведенных экспериментов можно сделать вывод о том, что процесс образования физического контакта протекает в два этапа, включающие активную деформа­цию (пластическая и упругая составляющие), и деформацию, опре­деляемую процессом ползучести микронеровностей при непрерывно уменьшающемся напряжении (рис. 46).

Активная деформация реализуется при приложении давления и характеризуется некоторой конечной скоростью, определяемой Динамическими свойствами системы давления. Анализ получен­ных экспериментальных данных (рис. 47) показывает, что суще­ствует сложная зависимость между степенью развития контакта и температурой на втором этапе процесса. При Т = 50 и 250 С

относительное измене­ние электросопротивления больше, чем при 100 и 300° С, причем такая за­кономерность сохраняется во всем интервале иссле­дованных длительностей процесса.

Аномальное изменение электросопротивления при температурах 50 и 250е С согласуется с данными работы [132], в которой на деформированных прово­лочных образцах железа, содержащих небольшое количество углерода и

азота, при указанных тем­пературах обнаружены максимумы внутреннего трения. Хотя такое сопоставление условно, можно, основываясь на природе релак­сационных максимумов внутреннего трения, сделать вывод, что процесс смятия поверхностных микронеровностей при этих тем­пературах в существенной мере зависит от эффективности блоки­ровки дислокаций примесными атомами.

Естественно, что использование метода измерения электро­сопротивления наиболее интересно при высоких температурах, когда возможно протекание процессов, приводящих к образова­нию прочного соединения.

Исследования, проведенные на a-Fe при температурах 500— 700е С (рис. 48), показали, что при Т = 500 и 600° С на кинети­ческих кривых наблюдается повышение электросопротивления. Однако при Т = 700° С такая картина не наблюдается. Это, по - видимому, обусловлено тем, что при температурах 500—600 С, близких к температуре рекристаллизации, развивается процесс полигонизации. В этом случае можно ожидать вклада образую­щихся границ блоков и субзерен и частичного развития процесса сегрегации атомов углерода на этих границах. При 700 С эти процессы протекать уже не могут и вслед за возвратом развивается рекристаллизация. Развитие физического контакта при этом имеет обычную кинетику.

Предварительные эксперименты, проведенные на различных металлах в одинаковых условиях испытания (температура, давле­ние, вакуум), показали, что образцы разных партий могут иметь качественно различный характер изменения контактного электро­сопротивления (КЭС). Так как обработка поверхности образцов непосредственно перед сваркой осуществлялась в одинаковых условиях, можно предположить, что обнаруженные различия в свойствах поверхности связаны с некоторыми, обычно не­
контролируемыми, особенностями предварительной подготовки. По­этому изменение КЭС может слу­жить объективным критерием качества подготовки поверхности.

Более качественной можно счи­тать такую подготовку поверх­ностей, при соединении которых падение КЭС идет с большей ско­ростью и на большую абсолют­ную величину.

Процесс подготовки соединяе­мых поверхностей условно можно разделить на два этапа: предва­рительный, заключающийся в ме­ханической обработке, и оконча­тельный, включающий промывку соединяемых поверхностей непосредственно перед сваркой [133].

Причиной изменения свойств поверхностного слоя металла при механической обработке могут быть:

1. Изменение термического цикла поверхностного слоя металла при различных режимах механической обработки.

2. Взаимодействие материала резца с обрабатываемой поверх­ностью металла.

3. Взаимодействие компонентов охлаждающих жидкостей с об­рабатываемой поверхностью—диффузионное насыщение поверхно­стного слоя продуктами пиролиза смазки, проявление эффекта ад­сорбционного понижения прочности (эффект П. А. Ребиндера) и т. п.

Высказанные предположения были проверены при исследова­нии кинетики изменения КЭС на никеле НВК [1331. Испытания проводили при температуре 750' С, давлении 2,0 кгс/мм2, в ваку­уме 5-Ю'5 мм рт. ст. Соединяемые поверхности образцов обраба­тывали на токарном станке двумя резцами: самозакаливающимся, типа Р18, и резцом с пластинкой твердого сплава Т15К6. Ско­рость вращения образца составляла 1600 и 400 об/мин, попереч­ная подача, осуществляемая автоматически, составляла 17 мкм/об. В качестве охлаждающей жидкости использовали машинное масло, силиконовое масло ВКЖ-94, эмульсию, олеиновую кис­лоту. При окончательной обработке исследуемые поверхности про­мывали в хлороформе и шлифовали всухую.

Анализ экспериментальных данных показал, что увеличение скорости резания при обработке поверхности твердосплавным рез­цом и охлаждании любой из исследованных жидкостей ведет Ц увеличению скорости и абсолютной величины падения КЭС (Рис. 49t а> б). Так как в исследуемых условиях изменение КЭС Характеризует развитие физического контакта, можно сделать вывод о том, что с увеличением скорости вращения образца облег­ается процесс развития физического контакта.

Э. С. Каракозов 113

Очевидно, что увеличение скорости вращения повышает тем­пературу нагрева поверхностного слоя металла и скорость его последующего охлаждения, так как скорость охлаждения про­порциональна разности температур поверхности и охлаждающей среды. При этом в тонком поверхностном слое образца создаются условия, позволяющие зафиксировать большую неравновесную концентрацию точечных дефектов (вакансий, дислоцированных атомов) и получить более высокую плотность дислокаций. Влия­ние скорости резания на процесс развития физического контакта основано, по-видимому, на участии этих дефектов в процессах, ведущих к увеличению площади физического контакта, например в процессах активной деформации и последующей ползучести при смятии поверхностных микронеровностей. Кроме того, избыточ - н0Є число термических вакансий должно существенно интенсифи­цировать процесс переползания дислокаций, контролирующий скорость высокотемпературной ползучести.

При обработке поверхности самозакаливающимся резцом Р18 увеличение скорости резания дает противоположный эффект (в сравнении с обработкой поверхности твердосплавным резцом) при охлаждении поверхности любым из исследованных веществ. В этом случае увеличение скорости резания ведет к снижению ско­рости и абсолютной величины падения КЭС. Рост КЭС в некото­рых случаях (рис. 49, в, кривые 2 и 3; рис. 49, г, кривые 2 и 3) в начальный момент времени свидетельствует о наличии процесса диффузионного насыщения поверхностного слоя. Поскольку при аналогичных режимах резания с применением твердосплавного резца рост КЭС всегда отсутствует, можно предположить, что он связан с переносом на обрабатываемую поверхность материала резца в условиях повышенных температур, развивающихся в месте контакта резца с обрабатываемой поверхностью, и отсутствия пря­мого контакта с кислородом воздуха, вследствие применения ох­лаждающих жидкостей.

Особого анализа требует способ обработки поверхности всу­хую, когда возможно диффузионное насыщение поверхностного слоя кислородом и образование окисной пленки. О наличии окис­ной пленки, препятствующей процессу развития физического кон­такта, свидетельствуют данные, представленные на рис. 49, б, г. Однако и в этом случае увеличение концентрации точечных де­фектов в поверхностном слое облегчает процесс развития физи­ческого контакта (рис. 49, а и 49, в, кривая 1). Проведенные экс­перименты не позволили сделать определенного вывода о влия­нии на кинетику изменения КЭС типа охлаждающей жидкости. Однако можно отметить, что при механической обработке хими­чески активных металлов такое влияние может иметь место.

При соединении C£-Fe промывка соединяемых поверхностей этиловым спиртом снижает интенсивность развития физического контакта, тогда как промывка хлороформом не вызывает подобного эффекта. Однако при соединении никеля НВК было обнаружено существенное влияние промывки соединяемых поверхностей в хло­роформе на кинетику изменения КЭС (рис. 50). В начальный период времени (t <5 мин) промывка соединяемых поверхностей В хло­роформе сказывается незначительно. Ее влияние становится более заметным через период времени t > 5 мин, т. е. на последних этапах развития физического контакта и связана, по-видимому, со сменой механизма, контролирующего процесса.

Анализ экспериментальных данных позволяет предположить, что несмотря на легкую испаряемость хлороформа, на соединяе - мых поверхностях после промывки остается некоторое количество адсорбированных молекул. В условиях повышенных температур и напряженного состояния металла в зоне контакта происходит Диффузионное насыщение поверхности примесными атомами из

быть кислород и пары воды, способные образовывать на титане окислы и гидроокислы. Следует отметить, что рост КЭС происхо­дит в две стадии (рис. 52). Изменение наклона прямой при t

9 мин свидетельствует о смене механизма процесса, контроли­рующего рост КЭС.

Зависимость характера изменения КЭС от температуры (рис. 51) может быть обусловлена снижением энергии взаимодей­ствия примесей внедрения с дислокациями в а-титане при повы­шении температуры (особенно >650—750е С) и облегчением вслед­ствие этого пластической деформации.

Анализ природы связи адсорбированных атомов с поверхностью имеет существенное значение при разработке эффективных мето­дов подготовки поверхности при соединении металлов в твердом состоянии. Важная роль, которую могут играть окисные пленки в процессе образования прочного соединения, отмечалась в ряде работ [134, 135]. По современным представлениям [41], физи­ческая адсорбция может происходить при низких температурах на первом слое хемосорбированных атомов кислорода, образуя так называемый комплекс адсорбции. Существенно при этом, что адсорбированная пленка имеет двумерное строение, при котором атомы каждого вида имеют число соседей, отличающееся от того, которое они имеют в окисной пленке. Практический вывод из этого - возможность осуществления в определенных условиях процесса десорбции физически адсорбированных молекул газа.

Возможность осуществления этого процесса экспериментально проверялась путем предварительного отжига образцов в разве­денном состоянии в вакууме 5-Ю"5 мм рт. ст. Предварительный низкотемпературный отжиг при 150 С в течение 60 мин позво­ляет предотвратить рост КЭС (рис. 53). Аналогичный результат дает предварительный вакуумный отжиг в течение 15 мин при температуре 550 С. Увеличение температуры отжига позволяет на конечной стадии процесса ускорить падение КЭС, характери-

Зующего развитие физического контакта, что объясняется, по-видимому, более полным удалением физически адсорбированных газов при более высокой температуре вакуумного отжига. Хими­чески адсорбированный моноатомный слой газов при этом может и не удаляться, однако этого количества атомов явно недостаточно для того, чтобы эффективно затормозить процесс развития физи­ческого контакта. Зависимость времени, необходимого для осу­ществления полной десорбции, в случае отжига титана в вакууме 5-Ю 5 мм рт. ст. в условиях повышенных температур может быть выражена как

t = 75 — 0,1 Г. (143)

Приведенные экспериментальные данные подтверждают пред­положение о том, что рост КЭС в условиях эксперимента вызван присутствием физически адсорбированных слоев газов и паров влаги, для удаления которых с соединяемых поверхностей могут быть разработаны эффективные технологические приемы, одним из которых является вакуумный отжиг.

В общем случае время полной десорбции физически адсорби­рованных слоев в постоянных условиях этого процесса характе­ризует химическую активность поверхности металла, и, следова­тельно, будет зависеть как от химической активности самого ме­талла, так и от предыстории исследуемой поверхности, что под­тверждается данными экспериментальных исследований на дру­гих металлах — железе, никеле.